PL229960B1

PL229960B1 - Method for producing high-pressure composite cylinders with increased strength

Info

Publication number: PL229960B1
Application number: PL422197A
Authority: PL
Inventors: Artur Iluk
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2018-09-28
Also published as: PL422197A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wysokociśnieniowych butli kompozytowych, przeznaczonych zwłaszcza do przechowywania sprężonych gazów.The subject of the invention is a method of producing composite high-pressure cylinders, intended in particular for the storage of compressed gases.

W polskim opisie patentowym nr PL 217 817 (B1) ujawniony jest zbiornik niskociśnieniowy i średniociśnieniowy charakteryzujący się tym, że liner zbiornika o ściankach wykonanych z co najmniej dwu warstw maty wzmocnienia warstwowego z włókien rozdzielonych co najmniej jedną warstwą drenażową w postaci maty z materiałów wykonanych na bazie polimerów termoplastycznych, na wskroś infiltrowanych żywicą chemoutwardzalną i osłoniętych warstwami żelkotu, składa się z co najmniej jednej części walcowej linera, zaopatrzonej w obwodowe wgłębienia zamka zewnętrznego oraz wewnętrznego, leżące na przeciwległych obrzeżach oraz z dennic, zaopatrzonych w obwodowe wgłębienie zamka zewnętrznego oraz króćce dennicy, przy czym każda z odpowiadających sobie powierzchni zamka zewnętrznego i wewnętrznego, stykających się z sobą, ma wykonane rowki obwodowe, usytuowane w położeniu wzajemnie naprzeciwległym, tworzące przestrzenie wypełnione klejem, tworzącym spoinę profilową, składającą się z ścianek spoiny i integralnie z nimi związanymi O-ringami zintegrowanymi spoiny, podobnie jak powierzchnia króćca wyposażona w rowki obwodowe i stykająca się w położeniu wzajemnie naprzeciwległym z rowkami obwodowymi na powierzchni kołnierza przyłączeniowego armatury przewodowej. Z kolei utworzone tak przestrzenie zalewane są klejem, trwale łączącym części ze sobą, tworząc spoinę profilową, przy czym wewnętrzne zamki dennicy i części walcowej linera zbiornika łączone są łącznikiem wewnętrznym, również zaopatrzonym w rowki, usytuowane w położeniu wzajemnie naprzeciwległym, tworzące przestrzenie wypełnione klejem, tworzącym spoinę profilową. Na tak zbudowanej strukturze linera, na jej zewnętrznej powierzchni, ułożona jest warstwa żywicy chemoutwardzalnej, zbrojonej włóknem ciągłym w postaci oplotu wzmacniającego z włókna ciągłego, nasyconego żywicą chemoutwardzalną, przy czym wewnętrzna powierzchnia zbiornika jest dodatkowo uszczelniona warstwą materiału barierowego topcoat, zwłaszcza w miejscach spoin zamków linera oraz przyłączy niezbędnej armatury uzbrojenia zbiornika.Polish patent specification no. PL 217 817 (B1) discloses a low-pressure and medium-pressure tank, characterized by the fact that the liner of the tank with walls made of at least two layers of matted fiber reinforcement separated by at least one drainage layer in the form of a mat made of materials made of based on thermoplastic polymers, completely infiltrated with chemically hardening resin and covered with layers of gelcoat, it consists of at least one cylindrical part of the liner, provided with peripheral recesses of the external and internal zipper, lying on opposite edges, and of bottoms, provided with a circumferential recess of the external zipper and bottom ends , each of the corresponding surfaces of the external and internal lock, in contact with each other, has peripheral grooves, located in an opposite position, creating spaces filled with glue, forming a profile joint, consisting of the walls of the joint and int Integrally connected weld O-rings, as well as the surface of the spigot, provided with circumferential grooves and mutually opposite to the circumferential grooves on the surface of the connection flange of the line fittings. In turn, the spaces created in this way are flooded with glue, permanently connecting the parts with each other, creating a profile weld, while the internal locks of the bottom and the cylindrical part of the liner of the tank are connected with an internal connector, also provided with grooves, located in opposite positions, creating spaces filled with glue, forming a profile joint. On the liner structure constructed in this way, on its outer surface, there is a layer of chemically hardened resin, reinforced with a continuous fiber in the form of a continuous fiber reinforcement braid, saturated with chemically hardened resin, while the inner surface of the tank is additionally sealed with a layer of topcoat barrier material, especially at the joints of the locks liner and connections of the necessary fittings of the tank armament.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 197 921 (B1) znany jest zbiornik ciśnieniowy wzmocniony włóknami zawierający sztywny korpus szczelny lub płynny opleciony włóknami ciągłymi, które są tak owinięte, że co najmniej szereg włókien ciągłych może swobodnie się poruszać względem siebie, zaś gdy zbiornik jest pod ciśnieniem wewnętrznym włókna są naprężone dokładnie w ich wzdłużnym kierunku. W/w opis odnosi się także do sposobu wytwarzania zbiornika ciśnieniowego wzmocnionego włóknami po to, aby nie używać materiału formy (na przykład żywicy), przy czym co najmniej szereg włókien ciągłych mógłby być wprowadzony do formy i dla tego sekcja zbiornika ciśnieniowego ma włókna ciągłe mogące swobodnie przemieszczać się względem siebie.Polish patent specification no. PL 197 921 (B1) discloses a fiber-reinforced pressure vessel comprising a rigid, sealed or fluid body braided by filaments, which are wrapped in such a way that at least a number of filaments are free to move relative to each other, and when the tank is under by internal pressure, the fibers are tensioned exactly in their longitudinal direction. The above description also relates to a method of manufacturing a fiber-reinforced pressure vessel so as not to use a mold material (e.g., resin), whereby at least a series of filaments could be introduced into the mold and for this the pressure vessel section has continuous fibers capable of being used. move freely in relation to each other.

W polskim opisie patentowym nr PL 206 178 (B1) ujawniono zbiornik kompozytowy, który charakteryzuje się tym, że liner wykonany jest z płaszcza i dennic, które mają zwiększoną grubość w okolicy osi wzdłużnej zbiornika, a warstwa kompozytowa na płaszczu jest dwuwarstwowa, a w okolicy dennicowej warstwa kompozytowa zwiększa swą grubość w kierunku pierścienia montażowego.Polish patent specification no. PL 206 178 (B1) discloses a composite tank, characterized by the fact that the liner is made of a shell and bottoms, which have an increased thickness in the area of the longitudinal axis of the tank, and the composite layer on the shell is double-layer, and in the area of the bottom the composite layer increases in thickness towards the mounting ring.

Z kolejnego polskiego opisu patentowego nr PL 204 336 (B1) znany jest zbiornik kompozytowy, który posiada dwie połączone wewnętrznym stelażem dennice, które wraz z cylindrycznym płaszczem tworzą nośny korpus, zaś oplatające go poprzeczne wiązki wzmacniających włókien są usytuowane zasadniczo prostopadle do podłużnej osi zbiornika, natomiast jego wnętrze powleczone jest uszczelniającym tworzywem. Sposób wytwarzania zbiornika kompozytowego polega na tym, że łączy się spoiwem dennice z wewnętrznym stelażem oraz zewnętrznym płaszczem, a otrzymany nośny korpus zbiornika oplata się poprzecznymi wiązkami wzmacniających włókien, po czym zbiornik umieszcza się w piecu poddając go żelowaniu, a po jego ostygnięciu wypełnia się go płynnym tworzywem uszczelniającym, które rozprowadza się po wewnętrznych ściankach zbiornika wprawiając go w ruch obrotowowahadłowy.From the subsequent Polish patent specification no. PL 204 336 (B1) a composite tank is known, which has two bottoms connected by an internal frame, which together with a cylindrical mantle form a load-bearing body, and the transverse bundles of reinforcing fibers entwining it are arranged substantially perpendicular to the longitudinal axis of the tank, while its interior is coated with a sealing material. The method of producing a composite tank is based on the fact that the bottoms are bonded to the inner frame and the outer jacket, and the resulting load-bearing body of the tank is wrapped with transverse bundles of reinforcing fibers, then the tank is placed in the furnace, subjected to gelation, and after it has cooled, it is filled with with a liquid sealing material that spreads over the inner walls of the tank, making it rotate and rotate.

Znany jest również ze stanu techniki proces wytwarzania butli wysokociśnieniowych na bazie włóknistych materiałów kompozytowych. Butle takie składają się ze stalowej lub wykonanej z tworzywa sztucznego szczelnej wewnętrznej powłoki L (ang. liner), na której wytwarza się zewnętrzną powłokę Z z kompozytu zbrojonego włóknem W np. szklanym lub węglowym. Butla zamknięta jest zaworem V osadzonym w gnieździe butli G. Popularną metodą jest wytwarzanie powłoki kompozytowej poprzez nawijanie zwilżonego żywicą włókna W według regularnego wzoru na wewnętrzną powłokę L w takiA process for producing high pressure cylinders based on fibrous composite materials is also known in the art. Such cylinders consist of a steel or plastic tight inner liner (liner) on which an outer Z shell is made of a W-fiber reinforced composite, e.g. glass or carbon. The cylinder is closed with a V valve embedded in the G cylinder socket. A popular method is to produce a composite coating by winding the fiber W, moistened with resin, in a regular pattern on the inner coating L in such a way.

PL 229 960 B1 sposób, że włókna pokrywają zarówno część walcową, jak i dennice butli, a następnie termiczne utwardzanie matrycy M. W ten sposób powstaje na całej powierzchni zewnętrznej butli kompozytowa powłoka przenosząca naprężenia wywołane ciśnieniem wewnętrznym C.A method whereby fibers cover both the cylindrical portion and the cylinder bottoms, and then the matrix M is thermally cured. This creates a composite stress-bearing coating over the entire outer surface of the cylinder.

W części walcowej butli naprężenia obwodowe o_c są dwukrotnie większe od naprężeń osiowych σχ (rys 1b). Nawijanie włókien W w dwóch kierunkach pod kątem α do tworzącej powierzchni walcowej wynoszącym 55 stopni powoduje, że w powstałym w ten sposób kompozycie dominują naprężenia wzdłuż włókien zbrojenia W. Samo obciążenie ciśnieniem C jest dobrze zdefiniowane i powtarzalne. Powoduje to, że znaczenie wytrzymałości matrycy jest znacznie mniejsze, niż w innych konstrukcjach kompozytowych.In the cylindrical part of the cylinder, the _{hoop stress o c} is twice as large as the axial stress σχ (Fig. 1b). Winding the fibers W in two directions at an angle α to the cylindrical surface of 55 degrees causes that the resulting composite is dominated by stresses along the reinforcement fibers W. The pressure load C itself is well defined and repeatable. As a result, the importance of the matrix strength is much smaller than in other composite structures.

Wytrzymałość kompozytu zbrojonego włóknem jest tym większa, im wyższa jest zawartość procentowa włókien W w objętości kompozytu. Proces krzyżowego nawijania włókien sprzyja wytwarzaniu w okolicach krzyżowania się włókien objętości, które mogą wypełniać się żywicą lub powietrzem, zmniejszając wytrzymałość laminatu. Przeciwdziała się temu stosując odpowiedni naciąg włókien podczas nawijania, jednak zbyt duża siła naciągu powoduje, że kolejne warstwy włókna W coraz bardziej ściskają liner L wraz z nawiniętym już warstwami, co wywołuje spadanie siły naciągu włókien W w wewnętrznych warstwach włókien.The strength of the fiber-reinforced composite is the greater, the higher the percentage of W fibers in the volume of the composite. The process of cross-winding the fibers favors the production of volumes in the area of the crossing of the fibers, which may be filled with resin or air, reducing the strength of the laminate. This is counteracted by applying the appropriate tension of the fibers during winding, but too high tension force causes that the subsequent layers of the fiber W more and more compress the liner L together with the already wound layers, which causes a drop in the tension force of the fibers W in the inner layers of the fibers.

W procesie obciążania butli ciśnieniem wewnętrznym C kompozyt podlega naprężeniom rozciągającym, które są przenoszone głównie przez włókna W, jednak matryca M również podlega rozciąganiu. Napinane włókna W dążą w rejonie przeplotów do minimalizacji energii wewnętrznej poprzez przyjęcie kształtu łuków o możliwie dużych promieniach, wywołując tym naprężenia w utwardzonej matrycy M. Przy maksymalnym obciążeniu butli ciśnieniem C kompozyt ulega stopniowemu niszczeniu poprzez pękanie materiału matrycy M oraz uszkadzanie coraz większej liczby włókien W, aż do przerwania ciągłości kompozytu i zniszczenia butli. Jednym z powodów pękania włókien są lokalne niejednorodności w sile napięcia włokiem zbrojenia.In the process of loading the cylinder with internal pressure C, the composite is subjected to tensile stresses, which are mainly transmitted by the fibers W, but the matrix M is also subject to tension. Tensioned fibers W tend to minimize internal energy in the area of interlacings by adopting the shape of arcs with as large radii as possible, thus stressing the hardened matrix M. At maximum pressure C of the cylinder, the composite is gradually destroyed by cracking the matrix material M and damaging more and more fibers W until the continuity of the composite is broken and the cylinder is destroyed. One of the reasons for fiber breakage is the local heterogeneity in the trawl tensile strength of the reinforcement.

Celem wynalazku było opracowanie nowego sposobu wytwarzania butli kompozytowych o zwiększonej wytrzymałości, który rozwiązałby w/w problemy poprzez zmniejszenie naprężenia w matrycy M oraz zapewnienie wyższej zawartości włókien W w kompozycie. Dodatkowo postanowiono zapewnić większą równomierność siły napięcia poszczególnych włókien zbrojenia.The object of the invention was to develop a new method of producing composite cylinders with increased strength, which would solve the above-mentioned problems by reducing the stress in the matrix M and providing a higher content of W fibers in the composite. Additionally, it was decided to ensure greater uniformity of the tension force of individual reinforcement fibers.

Istota sposobu wytwarzania wysokociśnieniowych butli kompozytowych ze szczelnym linerem L wykonanym z metalu lub tworzywa sztucznego, wzmocnionym zewnętrznym płaszczem kompozytowym zbrojonym włóknami W o wysokiej wytrzymałości i sztywności, pokrywającym całą powierzchnię linera L, z włóknami nawiniętymi w części walcowej w dwóch kierunkach pod kątem 55 stopni do tworzącej walca, z matrycą termoutwardzalną lub chemoutwardzalną, polega na tym, że po nawinięciu na liner L warstw włókien W zwilżonych żywicą, wewnątrz butli wytwarza się ciśnienie wewnętrze C ora z utrzymuje się je na stałym poziomie, aż do momentu utwardzenia i osiągnięcia pełnej wytrzymałości matrycy M w procesie termicznego utwardzenia.The essence of the method of producing high-pressure composite cylinders with a tight liner L made of metal or plastic, reinforced with an outer composite jacket reinforced with W fibers of high strength and stiffness, covering the entire surface of the liner L, with fibers wound in the cylindrical part in two directions at an angle of 55 degrees to forming a cylinder, with a thermosetting or chemically hardened matrix, consists in the fact that after winding the layers of W fibers wetted with resin on the liner L, an internal pressure C is generated inside the cylinder and it is kept at a constant level until the moment of hardening and reaching the full strength of the matrix M in the process of thermal hardening.

Korzystnie, stosuje się ciśnienie wewnętrzne C równe lub niższe połowie ciśnienia nominalnego.Preferably, an internal pressure C equal to or less than half the nominal pressure is used.

Korzystnie, dodatkowo przeprowadza się etap obciążenia butli ciśnieniem testowym znacznie wyższym od ciśnienia nominalnego.Preferably, the step of loading the cylinder with a test pressure significantly higher than the nominal pressure is additionally carried out.

Zaletą wynalazku jest to, że wynikiem procesu jest korzystny stan wstępnych naprężeń ściskających w matrycy, usunięcie nadmiaru żywicy i wyrównanie naprężeń w włóknach kompozytu.An advantage of the invention is that the result of the process is a favorable state of compressive pre-stresses in the matrix, removal of excess resin and equalization of stresses in the composite fibers.

Podczas obciążania butli w normalnej pracy do ciśnienia atmosferycznego do nominalnego (fig. 3c, etapy VII-X), naprężenia rozciągające w materiale matrycy M w butli wg wynalazku osiągają niższe wartości niż w matrycy utwardzonej klasycznie. Wytrzymałość żywic jest znacznie wyższa w przypadku naprężeń ściskających, niż rozciągających. Cykle zmęczeniowe ściskania występujące w butli wykonanej według wynalazku (fig. 3c, linia 5) są z punktu widzenia wytrzymałości zmęczeniowej bardziej korzystne od cykli rozciągających w przypadku butli wykonanej klasycznie, tzn. z matrycą M utwardzoną w stanie nieobciążonym (fig. 3c, linia 4). Opóźnienie procesu zmęczeniowego uszkadzania matrycy M zwiększa trwałość zmęczeniową całej butli.When loading the cylinder in normal operation to atmospheric pressure to nominal pressure (Fig. 3c, steps VII-X), the tensile stresses in the matrix material M in the cylinder according to the invention reach lower values than in the classically hardened matrix. The strength of resins is much higher in compressive stress than in tensile stress. Compression fatigue cycles occurring in the cylinder made according to the invention (Fig. 3c, line 5) are more favorable from the point of view of fatigue strength than the tensile cycles in the case of a classic cylinder, i.e. with the matrix M hardened in an unloaded state (Fig. 3c, line 4). ). Delaying the fatigue process of damaging the M matrix increases the fatigue life of the entire cylinder.

Dodatkowo, włókna zbrojenia W mogą samoczynnie przyjąć pod wpływem dużego obciążenia optymalne ułożenie przed utwardzeniem matrycy M, co sprzyja wyrównaniu lokalnych nierównomierności naciągu włókien W powstałych w procesie nawijania. Wiązki włókien W mogą bez napinania nieutwardzonej matrycy korzystne zwiększyć promienie krzywizny na przeplotach z n do r2 (fig. 2) i znacznie zmniejszyć prawdopodobieństwo wytworzenia lokalnego ogniska pękania wielu włókien prowadzącego do zniszczenia butli. Siła naciągu wytworzona ciśnieniem wewnętrznym C jest znacznie wyższa odIn addition, the fibers of the reinforcement W can automatically assume the optimal arrangement under the influence of high load before the matrix M hardening, which helps to compensate for local irregularities in the tension of the fibers W resulting from the winding process. The fiber bundles W can advantageously increase the radii of curvature at the interlacings from n to r2 (Fig. 2) without tensioning the uncured matrix and greatly reduce the likelihood of creating a local focus of multiple fiber breakage leading to cylinder failure. The pulling force generated by internal pressure C is much higher than

PL 229 960 B1 możliwej do uzyskania w procesie nawijania, więc proces przyjmowania przez poszczególne włókna optymalnych pozycji jest znacznie bardziej skuteczny.Due to the fact that it is possible to obtain in the winding process, the process of assuming optimal positions by individual fibers is much more effective.

Z tego samego względu (duża siła napinająca przyłożona przed utwardzeniem matrycy) żywica jest skuteczniej wyciskana z przestrzeni pomiędzy włóknami poprzez zmniejszenie pola przekroju przestrzeni pomiędzy włóknami z A1 do A2 (fig. 2), wskutek czego procentowa zawartość włókien w laminacie rośnie. Nie tylko podwyższa to jakość laminatu (bardziej jednorodna struktura o większej wytrzymałości zmęczeniowej), ale również pozwala, poprzez usunięcie nadmiaru żywicy N, na wytwarzanie butli o mniejszej masie.For the same reason (high tensile force applied before the matrix cures), the resin is more efficiently pressed out of the inter-fiber space by reducing the cross-sectional area of the inter-fiber space from A1 to A2 (Fig. 2), thereby increasing the percentage of fibers in the laminate. This not only improves the quality of the laminate (a more homogeneous structure with greater fatigue strength), but also allows, by removing excess N-resin, to produce a cylinder with a lower weight.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest bliżej w przykładzie wykonania oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia konstrukcję butli kompozytowej, fig. 2 przedstawia proces napinania włókien i wyciskania nadmiaru żywicy, fig. 3 przedstawia przebiegi naprężeń w poszczególnych elementach składowych kompozytu - 3a naprężenie włókien, 3b - naprężenie w linerze, 3c - naprężenie w matrycy.The subject of the invention is presented in more detail in the embodiment and in the drawing, in which Fig. 1 shows the structure of the composite cylinder, Fig. 2 shows the process of stretching the fibers and squeezing out excess resin, Fig. 3 shows the stress courses in individual components of the composite - 3a fiber tension, 3b - stress in the liner, 3c - stress in the die.

Przykład realizacjiImplementation example

Sposób wytwarzania wysokociśnieniowych butli kompozytowych obejmuje następujące etapy:The method of producing high pressure composite cylinders includes the following steps:

1. Nawinięcie zwilżonego żywicą włókna/włókien W na wewnętrzny liner L pod kątem α 55 stopni do tworzącej z siłą naciągu zapewniającą poprawne ułożenie włókien, aż do uzyskania wymaganej ze względu na wytrzymałość liczby warstw włókna W (rys. 2a, fig. 3 etap I). Minimalna siła naciągu pozwala na uzyskanie zbliżonego stanu naprężenia włókien W w poszczególnych warstwach. Po zakończeniu procesu nawijania wolny koniec włókna/włókien należy zabezpieczyć przez odwinięciem z butli.1. Winding the fiber / fibers W, moistened with the resin, on the inner liner L at an angle α 55 degrees to the generating line with the tension force ensuring the correct alignment of the fibers, until the required number of fiber layers W is obtained (Fig. 2a, Fig. 3, stage I) ). The minimum tension force allows to obtain a similar state of tension of the fibers W in the individual layers. After the winding process is completed, the free end of the fiber / fibers should be secured against unwinding from the cylinder.

2. Wytworzenie wewnątrz butli, przed procesem termicznego utwardzania matrycy M, ciśnienia C i zamknięcie jej zaworu V osadzonego w gnieździe butli G (rys. b, fig. 3 etap II). Ciśnienie wytwarzane jest poprzez wpompowanie do butli cieczy hydraulicznej. Ciśnienie wewnętrzne powoduje zwiększenie promienia linera z R1 do R2 (fig. 2) i jednoczesne napięcie wszystkich warstw włókien W nawiniętych na butlę. Rozszerzający się pod wpływem wewnętrznego ciśnienia C liner L oraz napinanie włókien W powodują wyciśnięcie nadmiaru żywicy N spomiędzy włókien W (fig. 2b), zaś włókna W mogą swobodnie, nie deformując matrycy M, przyjąć korzystny energetycznie kształt linii o możliwie dużych promieniach krzywizny zwiększając promienie swojej krzywizny z promienia n do promienia r2 (fig. 2). Zmiana promieni jest ułatwiona przez brak sztywnego powiązania pomiędzy poszczególnymi włóknami wiązki W wskutek realizacji napinania przed utwardzeniem matrycy M.2. Formation of pressure C inside the cylinder, before the thermal hardening process of the matrix M, and closing its valve V which is seated in the cylinder seat G (fig. B, fig. 3, stage II). The pressure is generated by pumping hydraulic fluid into the cylinder. The internal pressure increases the radius of the liner from R1 to R2 (Fig. 2) and simultaneously stresses all the layers of fibers W wound on the cylinder. The liner L expanding under the influence of internal pressure C and the stretching of the fibers W cause the excess of resin N to be squeezed out between the fibers W (Fig. 2b), and the fibers W can freely, without deforming the matrix M, adopt an energetically favorable shape of the line with as large radii of curvature as possible, increasing the radii its curvature from radius n to radius r2 (Fig. 2). The change of radii is facilitated by the lack of a rigid connection between the individual fibers of the W bundle due to the effect of tensioning prior to the hardening of the M matrix.

Napięcie włókien zmniejsza przestrzenie pomiędzy wiązkami włókien W, co pokazano schematycznie na rysunku 2, jako zmniejszenie pola przekroju przestrzeni wypełnionej żywicą z pola A1 do A2. Nadmiar żywicy N wyciśnięty na zewnętrzną powierzchnię kompozytu Z może być usunięty z zewnętrznej powierzchni butli, dzięki czemu rośnie objętościowy udział włókien w kompozycie i zwiększa się jego wytrzymałość na jednostkę masy. Ciśnienie wewnętrzne stosowane w procesie napinania włókien może korzystnie być równe połowie ciśnienia nominalnego danej butli. Dzięki nawijaniu warstw włókien pod kątem 55 stopni do tworzącej, włókna są obciążane głównie osiowo i oplot nie zmienia swojej geometrii. Obciążona ciśnieniem C butla poddawana jest procesowi termicznego utwardzania matrycy M. Butla może być korzystnie wyposażona na czas tego procesu w zawór V utrzymujący stałe ciśnienie wewnętrzne pomimo podgrzania płynu wewnątrz butli, co pozwoli na utrzymanie stałej geometrii kompozytu podczas procesu utwardzania matrycy M. Matryca utwardza się utrwalając korzystne ułożenie włókien zbrojenia W.The tension of the fibers reduces the spaces between the bundles of fibers W, as shown schematically in Figure 2, as the reduction of the cross-sectional area of the space filled with resin from A1 to A2. The excess N resin pressed onto the outer surface of the Z-composite can be removed from the outer surface of the cylinder, thus increasing the volume of fiber content in the composite and increasing its strength per unit mass. The internal pressure used in the fiber tensioning process may advantageously be equal to half the nominal pressure of the cylinder in question. By winding the layers of fibers at an angle of 55 degrees to the generator, the fibers are mainly loaded axially and the braid does not change its geometry. The cylinder, loaded with pressure C, is subjected to the process of thermal hardening of the M matrix. The cylinder can be advantageously equipped with a V valve during this process, which maintains a constant internal pressure despite the liquid inside the cylinder being heated, which will allow to maintain a constant geometry of the composite during the matrix M hardening process. preserving the favorable arrangement of the W reinforcement fibers.

3. Termiczne utwardzenie matrycy M (fig. 3 etap III), po zakończeniu którego otwiera się zawór V butli i ciśnienie wewnętrze spada stopniowo do wartości ciśnienia otoczenia (fig. 3 etap IV). Napięte włókna zbrojenia W kurczą się, powodując ściskanie materiału matrycy M. Po zakończeniu procesu matryca M jest poddana naprężeniom ściskającym, zaś włókna W lekko rozciągane. Naprężenia rozciągające we włóknach W są niewielkie, ponieważ sztywność tych włókien jest wielokrotnie większa od sztywności matrycy M, a ponadto objętościowy udział włókien W w kompozycie jest większy niż matrycy M.3. Thermal hardening of the die M (Fig. 3, stage III), upon completion of which the cylinder valve V opens and the internal pressure gradually decreases to the ambient pressure (Fig. 3, stage IV). The taut fibers of the reinforcement W contract, compressing the matrix material M. After the process is complete, the matrix M is subjected to compressive stress and the fibers W are slightly stretched. The tensile stresses in the fibers W are small because the stiffness of these fibers is many times greater than that of the matrix M, and moreover, the volume fraction of the fibers W in the composite is greater than that of the matrix M.

Po przeprowadzeniu opisanych powyżej czynności, można dodatkowo przeprowadzić obciążenie butli ciśnieniem testowym znacznie wyższym od ciśnienia nominalnego (fig. 3 etapy V i VI). Jeśli liner L wykonany jest z metalu, zwłaszcza z użyciem technologii spawania, dodatkowo może korzystnie podlegać on wówczas tak zwanemu przeprężaniu (fig. 3b, linia 3, etap V), czyli przekroczeniu granisu plastyczności (fig. 3b, punkt 1) powodującemu później, po usunięciu testowego ciśnienia wewnętrznego C, zniwelowanie naprężeń spawalniczych oraz wywołującemu korzystny ściskający stan naprężeń w materiale linera L (fig. 3b, linia 3). W przypadku materiału linera L o większej podatności, np. tworzywa sztucznego, zjawisko przeprężania nie nastąpi (fig. 3, linia 2).After the above-described steps have been carried out, the cylinder can additionally be loaded with a test pressure significantly higher than the nominal pressure (Fig. 3, stages V and VI). If the liner L is made of metal, in particular by welding technology, it can additionally advantageously then undergo a so-called overstress (Fig. 3b, line 3, step V), i.e. exceeding the yield point (Fig. 3b, point 1), which later causes after the internal test pressure C is removed, the welding stresses are alleviated and the stresses induced favorable compressive stresses in the liner material L (Fig. 3b, line 3). In the case of a more compliant liner material L, e.g. plastic, the stress phenomenon will not occur (Fig. 3, line 2).

PL 229 960 B1PL 229 960 B1

Na fig. 2 pokazano schematycznie proces napinania linera L i warstw włókien W ciśnieniem wewnętrznym C. Fig. 2a przedstawia stan przed napięciem, fig 2b. stan po napięciu linera L i włókien W.Fig. 2 shows schematically the process of stretching the liner L and the layers of fibers W with internal pressure C. Fig. 2a shows the state before tension, fig. 2b. condition after tensioning liner L and fibers W.

Przebiegi naprężeń we włóknach W, linerze L oraz matrycy M podczas wytwarzania (etapy I—IV), testowania (etapy V i VI) oraz eksploatacji butli (etapy VII—X) pokazano odpowiednio na rysunkach 3a, 3b i 3c.The stress waveforms in the fibers W, liner L and matrix M during manufacture (stages I-IV), testing (stages V and VI) and cylinder operation (stages VII-X) are shown in Figures 3a, 3b and 3c, respectively.

Claims

1. Method of producing high-pressure composite cylinders of increased strength with a tight liner L made of metal or plastic, reinforced with an outer composite jacket reinforced with W fibers of high strength and stiffness, covering the entire surface of the liner L, with fibers wound in the cylindrical part in two directions under at an angle from 50 to 60 degrees to the forming cylinder, with a thermosetting or chemically hardened matrix, characterized in that after winding layers of W fibers wetted with resin on the liner L, inside the cylinder, internal pressure C is generated by pumping a hydraulic fluid and kept constant level until hardening and achieving full strength of the M matrix in the process of thermal hardening of the M matrix.

2. The method according to p. The process of claim 1, wherein the internal pressure C is equal to or lower than half the nominal pressure.

3. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that in the case of the liner L made of metal, one cycle of loading the cylinder with a pressure significantly higher than the nominal pressure is additionally carried out after the matrix M has hardened.